离子淌度技术结合MALDI质谱成像在空间代谢组学方面的应用

作为一种免标记分子成像技术，MALDI质谱成像越来越多地被用于研究各种代谢物分子在组织中的空间分布情况，进而形成了一种新的研究方法——空间代谢组学。针对这样的研究热点，布鲁克公司于2019年推出了timsTOF fleX质谱仪，它具有ESI和MALDI双离子源，MALDI离子源配备了SmartBeam 3D固体激光器、可以进行高速度和高空间分辨的成像数据采集，ESI离子源连接液相色谱分离技术并配合TIMS离子淌度分离技术、可以执行高覆盖的分子鉴定流程。以上的诸多优点将使timsTOF fleX质谱仪成为空间代谢组学研究的“科研利器”。

图1：timsTOF fleX质谱仪的结构示意图

timsTOF fleX质谱仪配备了布鲁克独有的捕集型离子淌度分离技术（TIMS, Trapped Ion Mobility Spectrometry），有效解决了生物体系中复杂生物分子如同分异构体的鉴定和确认。它包含两个TIMS分析器——Analyzer 1和Analyzer 2。首先，气态的离子在Analyzer 1中被“捕获”、从而累积起来，一段时间之后，这些气态离子同时进入到Analyzer 2中，由于其碰撞截面积（CCS）的差异、进而以不同的迁移速度在Analyzer 2中运动、从而被分离开。

图2：捕集型离子淌度分离技术（TIMS）的工作原理

众所周知，生物组织中包含了种类繁多、数量庞大的代谢物分子，以脂质分子（lipid）为例，它们不仅是生物膜的构成单元，同时也承担着细胞的信号传导、能量存储等许多重要的生物功能，因而脂质分子的功能研究具有重要的科学意义。然而，脂质分子的种类很多，而且分子结构多而繁杂，分子与分子之间表现为多种异构形式的差异，如主链的sn-异构、酰基侧链的长度异构、侧链内的双键位置异构和双键的顺反异构等等；利用常规的MALDI质谱成像技术，仅依赖分子在质荷比上的差异、很难实现高覆盖度的、全脂质分子表征。为了应对这一难题，质谱成像技术的先驱者、美国范德堡大学的Richard Caprioli教授等[1]将TIMS离子淌度分离技术应用于MALDI成像实验中，由于额外的分离维度参数——碰撞截面积（CCS）的引入，极大地提高了对于脂质分子信号的分辨能力。如图3所示，（A）图为常规的质谱数据采集谱图，在m/z 680 ～880 范围内，谱峰容量（Peak capacity）为247，（B）图为开启了TIMS离子淌度分离后的质谱数据采集结果，谱峰容量为916。TIMS离子淌度分离的引入，使谱峰容量从247提高到916，实现了250%的提升，极大地提高了对于脂质分子信号的覆盖度。

图3：利用timsTOF fleX质谱仪在幼鼠整体切片组织上采集的(A)平均质谱图；(B)TIMS离子淌度分离热图[1]。

对于常规质谱技术无法区分的同分异构体分子（Isomer），TIMS离子淌度分离技术也能有效地区分开。在图4中，如果用常规的MALDI成像技术，会认为m/z 718.58是单一的分子信号，只能得（A）图所示的“混合”分布结果。当在MALDI成像实验中开启TIMS离子淌度分离后，可以发现m/z 718.58不是单一的分子信号，它包含三个同分异构体的分子信号，如图（B）、（C）和（D）所示，三个分子信号的空间分布差异迥然。由于TIMS离子淌度分离的使用，使科研人员能够及时地发现这些“额外的信息”，为当前的科研工作提供新的思路。

图4：(A)分子信号m/z 718.58在幼鼠整体切片组织上空间分布图；(B)～(D) m/z  718.58所代表的三个同分异构体各自的空间分布图；(E) 三个同分异构体各自的空间分布图经前后重叠(overlay)后呈现的结果。这三个同分异构体分子的初步标注结果分别是：[CerP(t40:1)+H]+ 、[PC(O-32:1)+H]+和[PC(P-32:0)+H]+[1]。

除了对脂质分子空间分布的研究，Richard Caprioli教授等研究人员还将TIMS离子淌度分离结合MALDI成像技术用于人体肾脏组织中低分子量的代谢物的空间分布研究[2]。他们利用timsTOF fleX质谱仪，MALDI成像结合TIMS离子淌度分离，可以将低分子量代谢物的信号与基质（团簇）离子区分开、使其在不受基质干扰的情况下被有效地检测出来；在人的肾脏组织中，检测出来了超过40种、分布于肾皮质、肾髓质和肾盂的低分子量代谢物，如精氨酸、乙酰肉硷和胆碱等。

面对生物组织中数量庞大、结构繁杂的代谢物分子，将TIMS离子淌度分离与MALDI质谱成像相结合，可以实现高空间分辨率下、代谢分子的高覆盖分布表征。布鲁克timsTOF fleX质谱仪结合了TIMS离子淌度分离与MALDI质谱成像技术，将在代谢物分子的非靶向、广泛分析中展现出前所未有生物信息挖掘能力，将对空间代谢组学的研究工作起到极大的推动作用。

参考文献：

[1] Resolving the complexity of spatial lipidomics using MALDI TIMS imaging mass spectrometry, Anal. Chem. 2020, 92, 13290−13297.

[2] Spatial metabolomics of the human kidney using MALDI trapped ion mobility imaging mass spectrometry, Anal. Chem. 2020, 92, 19,13084–13091.